Роль строительных материалов

Изучению различных свойств строительных материалов и вопросам наиболее экономически целесообразного использования их в строительстве посвящён курс «Строительные материалы (СМ)». Кроме самостоятельного изучения, курс СМ является базовой наукой для технологи, экономики, строительной конструкции.

Всегда надо помнить, что СМ во всех затратах на стр-во составляют 50-70% от всех затрат, вмещают в себя 1/3 всех капит. вложений. В хозяйстве республики на их производство расходуется 1/5 часть всего нац. дохода, примерно 50% всего грузооборота на перевозки материала и сырья. Поэтому, чтобы стр-во являлось эффективным, необходимо знать свойства и особенности материалов, что в свою очередь даёт возможность строителю эффективно использовать материал, т. е. правильно их выбрать, применить наилучшие приёмы для укладки, заменить один материал на другой, принять меры по защите, организовать правильное транспортирование. Чтобы не допустить снижения качества, строитель должен уметь оценивать свойства материала числовыми показателями. Для этих целей разработаны нормативные документы, включая методы испытаний.

Для удешевления стр-ва и повышения его качества необходимо стремиться избежать неоправданных потерь материалов, к совершенствованию их изготовления.

Для выполнения обширных строительных программ создана многоотраслевая промышленность по производству СМ (пр-во вяжущих, бетонных, керамических изделий и т. д.).

Развитие промышленности СМ имеет свою историю. Мощным прорывом было пр-во минер-х и вяжущих в-в и бетона. Развитие той или иной отрасли пр-ва СМ тесно связано с производственными отношениями. Так, значительно возрос выпуск СМ и расширилась их номенклатура с развитием капиталистических отношений. Строились заводы, что потребовало выпуска новых СМ. Так появились гидравлич. вяжущие, ж/б изделия, полимерные материалы.

Классификация строительных материалов и изделий

Обширная номенклатура м-лов, их разнообразие по технологиям получения затрудняет их изучение, поэтому для удобства их классифицируют по различным признакам.

Наиболее удобным классиф. признаком является классификация по технологии получения м-лов. В основу этой кл-ции положены вид сырья, их к-го изготовляются м-лы, и технологические приёмы, обеспечивающие их получение. Т. о., классиф. группа объединяет м-лы с общими свойствами. Согласно этой кл-ции м-лы делятся на:

1)Природные каменные м-лы. Их получают из горн. пород и м-лов вулканического, осадочного, метаморф. происхождения, используют в виде штучных изделий, сырья для получения др. м-лов или отдельных компонентов др. м-лов.

2)Минеральные вяжущие вещества. М-лы этой группы явл-ся продуктами обжига прир. сырья или иск. подобранной сырьевой смеси с последующим измельчением в порошок (гипс, известь).

3)Керамические м-лы и изделия – получают из глины путём формовки и обжига.

4)Бетоны и изделия из них. Вкл. бетоны на неорганич. основе, ЖБИ, ЖБК.

5)Строительные растворы. Разновидность бетона без крупного заполнителя, дополнит. классифицируется по назначению.

6)Иск. каменные, необжиговые м-лы. Изделия на основе неорганич. вяж-х автоклавной технологии (силикат, бетон и кирпич, грунтобетоны, асбестоцементные изделия).

7)М-лы из стекла и др. расплавов. Стекло и каменное литьё.

8)М-лы и изделия из древесины.

9)Органич. вяжущие вещества, м-лы на их основе. Битумные и дёгтевые вяжущие, рулонные, кровельные, гидроизоляционные, асфальто-бетонные.

10)Металлы и изделия из них. Чёрные и цветные металлы и их сплавы.

11)м-лы и изделия из пластмасс. В их составе имеются полимеры.

12)Теплоизоляционные и аккум. м-лы. Плёнообразующие м-лы, применяемые для защиты от коррозии др. м-лов и их отделки.

Понятие о стандартизации и унификации СМ и изделий

Несмотря на разнообразие м-лов, способов их пр-ва, важнейшие требования, предъявляемые к ним, в большинстве случаев общие. К числу таких общих требований относят прочность, долговечность, теплопроводность, корроз. стойкость и др. Т. е. каждый м-л должен обладать комплексом свойств, обеспечивающих его надёжность в процессе эксплуатации. Свойства м-ла оцениваются числовыми показателями, устанавливаемыми при испытаниях м-ла по соответствующим стандартам. Существуют различные стандарты. По сфере действия стандарты делятся на категории: международные (ИСО), государственные (ГОСТ), республиканские (РСТ), отраслевые (ОСТ), стандарты предприятий (СТП).

В области СМ и изделий наиболее распространены стандарты: технических условий, технических требований, типов изделий и их основных параметров, методов испытаний. правил приёмки, маркировки, упаковки, транспортирвоаня и хранения.

Одна из особенностей государственной системы стандартизации с строительстве состоит в том, что здесь кроме стандартов действует система нормативных документов, объединённых в строительные нормы и правила (СНиП).

СНиП представляет собой свод нормативных документов по проектированию, строительству и строительным материалам, обязательный для всех предприятий и организаций. Методическую основу стандартизации размеров при пр-ве СМ, проектировании и при возведении сооружений составляет единая модульная система (ЕМС), в основу к-рой положен 1 модуль (1М = 100 мм). ЕМС представляет собой совокупность правил координации размеров эл-тов зданий, строит. изделий и конструкций, оборудования, что позволяет унифицировать и сокращать число типоразмеров стр. изделий, обеспечивает их взаимозаменямость при отсутствии требуемого м-ла или к-ции. В ЕМС входят также производные модули, к-рые получают путём умножения осн. модуля на целые или дробные к-ты.

Основные свойства материалов

Свойство – способность м-ла определённым образом реагировать на отдельный фактор или чаще действующий в совокупности с др. внешн. или внутр. факторами.

Применяя м-лы в стр-ве, нужно знать не только их эксплуатационные св-ва, но и принимать во внимание среду, в к-рой работает м-л. Так, например, прочность м-ла д. соотв-ть величине напряжений, возникающих в м-ле от внешн. нагрузки. Но даже очень прочный м-л, напр., сталь, быстро разрушится, если поместить его в агрессивную среду, т. е. м-л должен обладать помимо прочности стойкостью в определённых условиях эксплуатации. Ряд свойств м-лов, таких как прочность, ср. плотность. пористость – одинаково важны для всех м-лов, как при оценке их кач-ва, так и для технико-экон. расчётов. Совокупность свойств различных СМ обобщается термином строительно-технические свойства. Их условно делят на 4 группы: физические, механические, технологические, химические.

Св-ва м-лов связаны с особенностью их строения (структурой). В меньшей мере зависят от хим. и минерал. состава. Любые изменения на микро- и макро-уровне (х-ра пористости. вида пористости, степени кристаллизации, размеров кристаллов) приводят к изменению строительно-технических свойств м-ла. Для определения и оценки свойств м-лов существуют лабораторные и полевые испытания. Методики испытаний предусмотрены стандартами. в зависимости от полученных показателей свойств м-лы делят на классы, марки, сорта.

Физические свойства

Физическое состояние СМ достаточно полно характериз-ся плотностью, ср. плотностью, насыпной плотностью (для сыпучих м-лов), пористостью. Эти параметры принято называть параметрами состояний.

Плотность (ист. плотность) – масса вещ-ва м-ла в единице абс. объёма.

Определяют плотность по стандартной методике, где предусматривается измельчение пробы высушенного м-ла в порошок, проходящий сквозь сетку с отверстиями 0,25 мм.

Абс. объём определяют с помощью пикнометра (объёмометра) по объёму вытесненной порошком жидкости.

Ср. плотность - масса в ед. объёма в ест. состоянии, включая пустоты и поры.

[кг/м³]

Ср. насыпная плотность:

[кг/м³, т/м³]

Ср. плотность большинства СМ меньше их плотности, за исключением очень плотных м-лов, не имеющих пор (стекло, металл), где или.

хар-т многие спец. свойства м-ла (теплозащитные, прочностные, морозостойкость), а также необходима при определении подъёмно-транспортных средств, веса зданий и сооружений. сильно зависит от влажности. Для различных м-ловколеблется в широких пределах, от 10 до 10000 кг/м³.

Относит. плотность хар-т собой степень заполнения объёма м-ла в-вом.

d=1 у плотных м-лов без пор и d<1 у пористых м-лов

Плотность м-ла в отнош. пл-ти воды при 4ºС - безразмерная величина.

Пористость - является дополнением к плотности до единицы объёма.

Поры представляют собой ячейки, не заполненные структ. м-лом. По величине они м. б. от нескольких ангстрем () до нескольких см. По содержанию в м-ле кол-во пор может быть от 0 до 98%. От величины пористости, её размеров и формы, равномерности распространения по объёму, структуры пор - зависят практически все эксплуатационные свойства м-лов. Поэтому все сведения о пористости позволяют более надёжно выбрать м-л для той или иной среды эксплуатации. Различают следующие виды пористости: общая, интегральная (открытая), закрытая, дифференциальная.

Важной характеристикой пористости является средний радиус капилляров (λ) и к-т однородности пор (α).

Характеристики порового пространства определяются различными методами. Наиболее распространены методы ртутной порометрии, основанные на определении величины давления, при котором ртуть заполняет поры м-ла. Чем выше давление. тем в более мелкие поры закачивается ртуть. Размеры пор вычисляют по формуле:

,

где Р - давление ртути, d - диаметр поры, σ - поверхностное напряжение ртути, θ - угол смачивания ртутью тв. пов-ти.

Другой способ определения размера пор - по кинетике водонасыщения.

Свойства м-лов по отношению к действию воды. Влажность - хар-т кол-во воды, к-рое содержится в порах образца м-ла и адсорбировано на его поверхности и удаляется при высушивании м-ла при темп. ≤105˚С.

где m¹ - масса высушенного образца, m² - масса образца до сушки.

Гигроскопичность - спос-ть м-ла поглощать и конденсировать водяные пары воздуха. Эта способность обусловлена молекулярной адсорбцией и капиллярной конденсацией. Этот процесс носит название сорбция и является обратимым.

Капиллярная конденсация возможна в очень малых капиллярах радиусом менее 1000Å. 1Å=10^-8см

Макс. гигроскопич. увлажнение хар-ся величиной отношения массы поглощённой влаги при относит. влажности 100% и t=20ºС к массе сухого м-ла (в %). В связи с обратимостью процессов различают равновесную влажность, комнатно-сухую, воздушно-сухую.

Водопоглощение - спос-ть м-ла поглощать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней.

Различают водопоглощение:

по массе

по объёму

где m₂ - масса насыщенного образца, m₁ - масса сухого образца, V - объём образца, ρ^о - плотность образца.

Важным показателем для прогнозирования морозостойкости м-ла явл-ся коэф-т насыщения, характеризующий собой степень заполнения пор водой:

Кнас.

где П - общая пористость.

При Кнас.=1 все поры насыщены водой, м-л не морозостойкий. Для морозостойких м-лов Кнас. не может составлять более 0,8.

Коэф-т размягчения м-лов хар-ет водостойкость, т. е. спос-ть м-лов сопротивляться снижению прочностных свойств при увлажнении.

Кразм.=

Водопроницаемость и паропроницаемость - спос-ть м-ла пропускать воду под давлением. Хар-ся коэф-том фильтрации

Кф.=м/г

где Vв - объём воды, проходящей через стенку толщиной а=1м площадью S=1м², Р₂ - Р₁ = 1 ат., t=1 ч.

Водонепроницаемость - обратная величина водопроницаемости. М-лы хар-ся маркой по водонепроницаемости, обозначающей собой одностороннее гидростатическое давление (Па), при кот-м стандартные образцы при испытании начинают фильтровать через себя воду.

В2, В4, …, В18

W2, W4, …W18

Паро- и газопроницаемость - спос-ть м-ла пропускать через свою толщу водяной пар или газы. Оценивается аналогичными коэф-тами.

Влажностные деформации. При изменении влажности м-лы изменяют свои размеры и объём.

Усадка (усушка) - уменьшение размеров и объёма м-ла при высыхании вследствие сближения частиц за счёт капиллярных сил.

Деформация набухания - увеличение объёма вследствие увеличения водных оболочек вокруг частиц м-ла.

Частая смена деформаций усадки и набухания ведёт к расшатыванию структуры и потере прочности.

Морозостойкость м-ла зависит от того, насколько поры при водонасыщении заполняются водой, т. е. от наличия открытых и закрытых пор.

Морозостойкость оценивается числом циклов попеременного замораживания и оттаивания при t от -17˚ до +20˚С, которое должен выдержать м-л, не снизив прочность более чем на 15% и массу на 5% при стандартных испытаниях. Числу циклов соответствует цифровое обозначение марки морозостойкости: F50, F100, F600 (Мр50, Мр100, Мр600).

Морозостойкость - свойство м-лов, хар-щее их спос-ть сопротивляться многократному замораживанию и оттаиванию в насыщенном водой состоянии без видимых разрушений и потерь прочности.

Разрушение м-ла при циклических воздействиях тепла и холода связано с увеличением в объёме при переходе воды в лёд и появлением напряжений. вызванных давлением льда на стенки пор.

Теплопроводность - спос-ть м-ла передавать тепло через толщу от одной поверхности к другой. Характеризуется коэф-м теплопроводности:

Вт/м˚С,

где Q - кол-во тепла, проходящего через стенку м-ла толщиной а=1 м и площадью S=1м², за время z=1ч., при разности температур t₁ - t₂ = 1˚C.

К-т теплопроводности - важнейшая х-ка м-лов, используемых в ограждающих конструкциях.

Теплоёмкость - спос-ть м-ла поглощать при нагревании тепло. Оценивается к-том теплоёмкости или удельной теплоёмкостью = кол-ву тепла, к-е необходимо для нагревания 1 кг м-ла на 1˚С. Удельная теплоёмкость используется при расчётах теплоустойчивости ограждающих конструкций.

Огнестойкость и огнеупорность. Огнестойкость - спос-ть м-ла противостоять действию открытого огня в течение длительного времени.

Огнеупорность - свойство м-ла выдерживать длительное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь.

По огнестойкости м-лы делятся на: несгораемые (гранит, бетон, кирпич); трудносгораемые (асфальтобетон); сгораемые (древесина незащищённая, др. органические м-лы, полимеры).

По огнеупорности м-лы делятся на 3 группы: мягкоплавкие (tпл.≤1350˚С); тугоплавкие (tпл.= 1350 ÷ 1580˚С); огнеупорные (tпл. 1580 ÷ 1770˚С (жаростойкие м-лы - tпл.>1000˚С; особо огнеупорные - >2000˚С).

Химическая стойкость - способность м-ла сопротивляться действию агрессивных сред, не разрушаясь. Хим. стойкость м-ла зависит от многих факторов, в первую очередь от хим. состава м-ла и его плотности.

Стойкость м-ла в кислой или щелочной среде можно оценить по модулю основности:

Если Мо<1, то м-л кислотостоек.

Если Мо>1, то м-л щёлочестоек.

Долговечность и надёжность. Долговечность измеряется сроком службы м-ла без потери эксплуатационных качеств. По сроку службы различают 3 степени долговечности: 1) 100 лет; 2) 50 лет; 3) 20 лет.

Надёжность - свойство м-ла сохранять работоспособность до определённого срока. Это общее свойство, состоящее из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости эксплуатационных характеристик на весь срок эксплуатации.